Методы решения физико-математических задач

Производная e в степени x и показательной функции

Производная e в степени x и показательной функции
Доказательство и вывод формул производной экспоненты (e в степени x) и показательной функции (a в степени x). Примеры вычисления производных от e^2x, e^3x и e^nx. Формулы производных высших порядков.
()( \newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits} )()

Основные формулы

Производная экспоненты равна самой экспоненте (производная e в степени x равна e в степени x):
(1)   ( e x )′ = e x.

Производная показательной функции с основанием степени a равна самой функции, умноженной на натуральный логарифм от a:
(2)   ( a x ) ′ = a x ⋅ ln a.

Экспонента – это показательная функция, у которой основание степени равно числу e, которое является следующим пределом:
e = limn → ∞( 1 + 1n ) n ≈ 2, 718281828459045... .
Здесь n может быть как натуральным, так и действительным числом. Далее мы выводим формулу (1) производной экспоненты.

Вывод формулы производной экспоненты

Рассмотрим экспоненту, e в степени x:
y = e x.
Эта функция определена для всех x :  –∞ < x < +∞. Найдем ее производную по переменной x. По определению, производная является следующим пределом:
(3)   y ′ = limΔx → 0 y(x + Δx) – y(x)Δx = limΔx → 0 e x + Δx – e xΔx.

Преобразуем это выражение, чтобы свести его к известным математическим свойствам и правилам. Для этого нам понадобятся следующие факты:
А) Свойство экспоненты:
(4)   e a + b = e a ⋅ e b;
Б) Свойство логарифма:
(5)   b ln c = ln c b;
В) Непрерывность логарифма и свойство пределов для непрерывной функции:
(6)   limx → x0 ln( f (x)) = ln(limx → x0  f (x)).
Здесь  f (x) – некоторая функция, у которой существует предел limx → x0  f (x) и этот предел положителен.
Г) Значение второго замечательного предела:
(7)   limn → ∞( 1 + 1n ) n = e.

Применяем эти факты к нашему пределу (3). Используем свойство (4):
e x + Δx – e x = e x ⋅ e Δx – e x = e x ( e Δx – 1 );
y ′ = limΔx → 0 e x + Δx – e xΔx = e x limΔx → 0 e Δx – 1Δx.

Сделаем подстановку   t = e Δx – 1. Тогда   e Δx = t + 1; Δx = ln(t + 1).
В силу непрерывности экспоненты,
limΔx → 0 e Δx = e 0 = 1.
Поэтому при Δx → 0, t → 0. В результате получаем:
y ′ = e x limΔx → 0 e Δx – 1Δx = e x limt → 0 tln(t + 1).

Сделаем подстановку n = 1t. Тогда t = 1n. При t → 0, n → ∞. И мы имеем:
y ′ = e x limt → 0 tln(t + 1) = e x limn → ∞ 1n ln(  1n + 1 ).

Применим свойство логарифма (5):
n ln(  1n + 1 ) = ln(  1n + 1 ) n = ln( 1 + 1n ) n. Тогда
y ′ = e x limn → ∞ 1n ln(  1n + 1 ) = e x limn → ∞ 1ln( 1 + 1n ) n = e x ⋅ 1limn → ∞ ln( 1 + 1n ) n.

Применим свойство (6). Поскольку существует положительный предел limn → ∞(  1n + 1 ) n и логарифм непрерывен, то:
limn → ∞ ln( 1 + 1n ) n = ln limn → ∞( 1 + 1n ) n = ln e = 1.
Здесь мы также воспользовались вторым замечательным пределом (7). Тогда
y ′ = e x limn → ∞ 1n ln(  1n + 1 ) = e x limn → ∞ 1ln( 1 + 1n ) n = e x ⋅ 1ln e = e x ⋅ 11 = e x.

Тем самым мы получили формулу (1) производной экспоненты.

Вывод формулы производной показательной функции

Теперь выведем формулу (2) производной показательной функции с основанием степени a. Мы считаем, что a > 0 и a ≠ 1. Тогда показательная функция
(8)   y = a x
Определена для всех x :  –∞ < x < +∞.

Преобразуем формулу (8). Для этого воспользуемся свойствами показательной функции и логарифма.
a = e ln a;
a x = ( e ln a ) x = e ln a ⋅ x.
Итак, мы преобразовали формулу (8) к следующему виду:
y = e ln a ⋅ x.

Находим производную. Выносим постоянную ln a за знак производной:
( ln a ⋅ x ) ′ = ln a ⋅ ( x ) ′ = ln a ⋅ 1 = ln a.
Применяем формулу производной сложной функции:
y ′ = ( e ln a ⋅ x ) ′ = ( e u ) ′x = ( e u ) ′u ⋅ u ′x = e u ⋅ ( ln a ⋅ x ) ′ = e ln a ⋅ x ⋅ ln a = a x ⋅ ln a.
Здесь u = ln a ⋅ x.

Тем самым, мы нашли производную показательной функции с произвольным основанием степени:
( a x ) ′ = a x ⋅ ln a.

Другие способы вывода производной экспоненты

Пусть нам известна формула производной натурального логарифма:
(9)   ( ln x ) ′ = 1x.
Тогда мы можем вывести формулу производной экспоненты, учитывая, что экспонента является обратной функцией к натуральному логарифму.

Перепишем формулу (9) в следующем виде:
dydx = 1x,
где y = ln x.
Переменные можно обозначать любыми буквами. Поменяем местами x и y:
(10)   dxdy = 1y,
где x = ln y.

Теперь рассмотрим экспоненту (e в степени x):
(11)   y = e x.
Применим формулу производной обратной функции:
(12)   dydx = 1dxdy.
Обратной функцией к экспоненте является натуральный логарифм. Подставим значение производной натурального логарифма (10):
dydx = 1dxdy = 11y = y.
И, наконец, выразим y через x по формуле (11):
y ′ ≡ dydx = y = e x.
Формула доказана.


Теперь докажем формулу производной экспоненты, применяя формулу производной сложной функции. Поскольку функции ln x и e x являются обратными друг к другу, то
ln e x = x.
Дифференцируем это уравнение по переменной x:
(13)   ( ln e x ) ′ = (x) ′.
Производная от икса равна единице:
( x ) ′ = ( x 1 ) ′ = 1 ⋅ x 1 – 1 = 1 ⋅ x 0 = 1 ⋅ 1 = 1.
Применим формулу производной сложной функции:
( ln e x ) ′ = ( ln u ) ′u ⋅ u ′x = 1u ⋅ ( e x ) ′ = 1e x ⋅ ( e x ) ′.
Здесь u = e x. Подставим в (13):
1e x ⋅ ( e x ) ′ = 1.
Отсюда
( e x ) ′ = e x.

Пример

Все примеры

Найти производные от e в степени 2x, e в степени 3x и e в степени nx. То есть найти производные функций
y = e 2x,   y = e 3x   и   y = e nx.

Решение

Исходные функции имеют похожий вид. Поэтому мы найдем производную от функции   y = e nx. Затем подставим n = 2 и n = 3. И из общей формулы найдем выражения для производных от e 2x, e 3x и e nx.

Итак, имеем исходную функцию
y = e nx.
Представим эту функцию как сложную функцию, состоящую из двух функций:
1)   Функции u = nx, зависящей от переменной x: u = u(x);
2)   Функции  f  = e u, зависящей от переменной u:  f  =  f (u).
Тогда исходная функция y(x) составлена из функций  f  и u:
y(x) =  f  (u(x)).

Найдем производную от функции u по переменной x:
u ′ = (nx) ′ = n(x) ′ = n ⋅ 1 = n.
Найдем производную от функции  f  по переменной u:
 f  ′u = (e u) ′u = e u.
Применяем формулу производной сложной функции.
y ′x =  f  ′u ⋅ u ′x = e u ⋅ n = e nx ⋅ n = ne nx.
Здесь мы подставили u = nx.

Итак, мы нашли:
( e nx ) ′ = ne nx.
Подставляем n = 2 и n = 3.

Ответ

( e 2x ) ′ = 2e 2x;   ( e 3x ) ′ = 3e 3x;   ( e nx ) ′ = ne nx.

Производные высших порядков от e в степени x

Теперь найдем производные высших порядков. Сначала рассмотрим экспоненту:
(14)   y = e x.
Мы нашли ее производную первого порядка:
(1)   y ′ = ( e x ) ′ = e x.

Мы видим, что производная от функции (14) равна самой функции (14). Дифференцируя (1), получаем производные второго и третьего порядка:
y ′′ = ( y ′ ) ′ = ( e x ) ′ = e x;
y ′′′ = ( y ′′ ) ′ = ( e x ) ′ = e x.

Отсюда видно, что производная n-го порядка также равна исходной функции:
y (n) = e x.

Производные высших порядков показательной функции

Теперь рассмотрим показательную функцию с основанием степени a:
y = a x.
Мы нашли ее производную первого порядка:
(15)   y ′ = a x ln a.

Дифференцируя (15), получаем производные второго и третьего порядка:
y ′′ = ( y ′ ) ′ = ( a x ln a ) ′ = ( a x ) ′ ln a = a x ln a ⋅ ln a = a x ln 2 a;
y ′′′ = ( y ′′ ) ′ = ( a x ln 2 a ) ′ = ( a x ) ′ ln 2 a = a x ln a ⋅ ln 2 a = a x ln 3 a.

Мы видим, что каждое дифференцирование приводит к умножению исходной функции на ln a. Поэтому производная n-го порядка имеет следующий вид:
y (n) = a x ln n a.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню